Vahva voima, luonnon perustava vuorovaikutus, joka toimii aineen alaatomien hiukkasten välillä. Vahva voima sitoo kvarkeja yhdessä klustereissa, jotta saadaan paremmin tuttuja subatomisia hiukkasia, kuten protoneja ja neutroneja. Se pitää myös yhdessä atomin ytimen ja perustuu vuorovaikutukseen kaikkien kvarkeja sisältävien hiukkasten välillä.
subatominen hiukkanen: Vahva voima
Vaikka osuvasti nimetty voimakas voima on vahvin kaikista perustavanlaatuisista vuorovaikutuksista, se, kuten heikko voima, on lyhytaikainen ja
Vahva voima alkaa ominaisuudesta, joka tunnetaan nimellä väri. Tämä ominaisuus, jolla ei ole yhteyttä väriin sanan visuaalisessa merkityksessä, on jonkin verran analoginen sähkövarauksen kanssa. Aivan kuten sähkövaraus on sähkömagneettisuuden lähde tai sähkömagneettinen voima, niin väri on voimakkaan voiman lähde. Hiukkaset, jotka eivät sisällä väriä, kuten elektronit ja muut leptonit, eivät “tunne” voimakasta voimaa; hiukkaset, joiden väri, pääasiassa kvarkit, “tuntevat” voimakkaan voiman. Kvanttikromodynamiikka, voimakkaita vuorovaikutuksia kuvaava kvanttikenttäteoria, saa nimensä tästä värin keskeisestä ominaisuudesta.
Protonit ja neutronit ovat esimerkkejä baryoneista, hiukkasluokasta, joka sisältää kolme kvarkkia, jokaisella on yksi kolmesta mahdollisesta väriarvosta (punainen, sininen ja vihreä). Kvarkeja voidaan myös yhdistää antiikkureihin (niiden antihiukkasiin, joiden väri on vastakkainen) muodostamaan mesoneja, kuten pi-mesoneja ja K-mesoneja. Baryonien ja mesonien nettoväri on nolla, ja näyttää siltä, että vahva voima sallii vain nollaväriyhdistelmien olemassaolon. Yritetään esimerkiksi lyödä yksittäisiä kvarkeja, esimerkiksi korkean energian hiukkasia aiheuttavissa törmäyksissä, vain uusien ”värittömien” hiukkasten, lähinnä mesonien, luominen.
Vahvassa vuorovaikutuksessa kvarkit vaihtavat gluoneja, voimakkaan voiman kantajia. Gluonit, kuten fotonit (sähkömagneettisen voiman lähetyspartikkelit), ovat massattomia hiukkasia, joilla on kokonainen sisäinen spin-yksikkö. Toisin kuin fotonit, jotka eivät ole sähköisesti varautuneita eivätkä siksi tunne elektromagneettista voimaa, gluonit kuitenkin saavat väriä, mikä tarkoittaa, että ne tuntevat voimakkaan voiman ja voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään. Yksi tulos tästä erotuksesta on, että lyhyellä alueella (noin 10-15 metriä, suunnilleen protonin tai neutronin halkaisija) voimakas voima näyttää vahvistuvan etäisyydellä, toisin kuin muut voimat.
Kun kahden kvarkin välinen etäisyys kasvaa, niiden välinen voima kasvaa pikemminkin kun jännitys kasvaa elastisena kappaleena, kun sen kaksi päätä vedetään erilleen. Lopulta elastinen murtuu, jolloin saadaan kaksi kappaletta. Jotain vastaavaa tapahtuu kvarkeilla, sillä riittävällä energialla ei ole yksi kvarkki, vaan kvarkin ja antiikkarin pari, joka “vedetään” klusterista. Siksi kvarkit näyttävät aina olevan lukittuina havaittavissa olevien mesonien ja baryonien sisälle, tämä on ilmiö, jota kutsutaan rajoitukseksi. Protonin halkaisijaan verrattavissa etäisyyksissä kvarkkien vahva vuorovaikutus on noin 100 kertaa suurempi kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus. Pienemmillä etäisyyksillä kvarkkien välinen voimakas voima kuitenkin heikkenee ja kvarkit alkavat käyttäytyä itsenäisinä hiukkasina, mikä tunnetaan asymptoottisena vapautena.
